نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی سنجش از دور، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
2 دانشیار گروه مهندسی سنجش از دور، دانشکده مهندسی نقشهبرداری، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
3 دانشجوی دکتری سنجش از دور، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
چکیده
کلیدواژهها
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Introduction
Nowadays, evaluation and monitoring of change in environment and climate at the regional to global scale is an important issue for nowcasting and forecasting purposes. Surface Albedo is a key parameter in climate studies. Land surface Albedo is a product of Moderate Resolution Imaging Spector radiometer (MODIS) in global scale but in low resolution where the access to these products is free. However, Climate model outputs could be affected by errors in MODIS Albedo products. In this paper, the accuracy of Short wave Broadband Albedo estimated from MODIS global Albedo products (MCD43A3) is evaluated. The field used for this purpose is a plain homogeneous, semi-desert and non-vegetated region near the Qom-Tehran highway. Since MODIS and ASTER sensors are both on board of the same platform and due to the higher spatial and radiometric resolution of ASTER sensor, ASTER Albedo products are used as ground truth for evaluating MODIS Albedo Products.
Materials and Methods
The data used in this work consist of MODIS Albedo products, ASTER images, reflectance data, MODIS optical depth data, climatological data and land cover maps. To extract albedo from ASTER image, the geometric, atmospheric and radiometric corrections were implemented first. Then using the surface reflectance of ASTER, the shortwave broadband albedo was calculated. To calculate the MODIS actual albedo, the sun zenith angle image was co-registered with respect to ASTERs. Then after calculating fraction of diffused skylight, the MODIS actual albedo was calculated. Then to compare albedo images of ASTER and MODIS, the ASTER albedo products were resampled to 500m pixels. This was done by averaging all ASTER albedo values locating in a MODIS pixel.
Results and Discussion
In this work, using ASTER shortwave albedo, MODIS shortwave albedo was evaluated. Comparison between these two products showed that the ASTER albedo was more sensitive to the daily atmospheric conditions as well as surface cover than the MODIS albedo. However it is seen that the 16 days average of MODIS albedo reduces these effects. Also it is seen that except on Oct23, 2004, the MODIS shortwave albedos were always smaller than those of ASTERs. However, precipitation and increase of soil moisture reduces albedo values where this for ASTER albedos were more pronounced. Also it was seen that the RMSD between ASTER and MODIS shortwave albedo values on Sep14, 2003 and Oct23, 2004 were greater. The reason for this may come from the fact that on Oct23, 2004 we had raining and on Sep14, 2003 we had strong wind from nearby salt lake.
On the other hand, on Sep29, 2004 and Jul28, 2001, the atmospheric condition for ASTER acquisition day and for 16 days MODIS passage was the same where the difference between these two products minimized. Based on this, if the weather condition for the ASTER acquisition date and 16 days period of MODIS were the same, a correction of 4% increase to MODIS albedo values is suggested otherwise based on the severity of the weather conditions, this difference could be enormous and the MODIS albedo values are less reliable.
Conclusion
In this work, the actual MODIS shortwave albedo products were compared to those of ASTER shortwave albedos. The result of this investigation in years 2001 to 2004 showed that whenever the weather conditions in the ASTER acquisition date and 16 days period of MODIS were the same, a correction of 4% increase to MODIS albedo values is needed. Otherwise if the weather conditions of ASTER acquisition day were different from MODIS 16 day’s period, the difference between these two albedo products may reach to 9%, this difference could be enormous and the MODIS albedo values are less reliable. Due to the importance of surface albedo values in meteorological and climatological models, the error in estimation of albedo may cause erroneous conclusion in the environmental studies.
کلیدواژهها [English]
مقدمه
آلبیدوی پهنباند سطح[1]، کسری از انرژی تابشی فرودی موج کوتاه خورشید است که توسط سطح زمین در تمامی جهات بازتاب میشود. آلبیدو، پارامتر فیزیکی بسیار مهمی در مطالعات اقلیمی و هواشناسی، مطالعات انتقال تابشی و محاسبه ذخیره تابشی زمین محسوب میشود (Maurer, 2002). این کمیت کنترل توازن انرژی سطح را میسر کرده و در پیشبینی آب و هوا، مدلسازی منطقهای و جهانی آب و هوا و مدلسازی اکوسیستم ها نقش مهمی ایفا میکند (Li & Garand, 1994; Wang & Davidson, 2007). آلبیدوی سطح زمین به ویژگیها و نوع پوشش زمین، شرایط جوی، زاویه زنیت خورشید، میزان رطوبت خاک و وضعیت پوشش گیاهی منطقه وابسته میباشد. از این رو میتوان از آن در تعیین پارامترهای جوی (ابر، هواویز، بخارآب و ...) و همچنین در کنترل تغییرات محیطی ناشی از فعالیتهای انسانی و طبیعی مانند فعالیتهای کشاورزی، شهرسازی، تغییر کاربری زمین، جنگلزدایی، کویرزایی و تغییر پوشش زمین استفاده نمود (Li & Garand, 1994).
بررسیها نشان دادهاند که برای مدلهای هیدرولوژیکی و هواشناسی، آلبیدو باید با دقت مطلق 05/0-02/0 (Sellers & Wilson, 1983; Sellers et al.,1995)، در دامنهای از قدرت تفکیکهای مکانی از 10 متر تا 5 کیلومتر، و قدرت تفکیکهای زمانی روزانه تا ماهیانه تعیین شود. بنابراین تولید دادههایی پایدار و دقیق از آلبیدوی جهانی، ضروری است. تعیین هر چه دقیق تر آلبیدو باعث دقیقتر شدن مدلسازیهای محیطی و آب و هوایی و افزایش قابلیت اطمینان پیشبینیها میشود (Wang & Davidson, 2007). روشهای میدانی به دلیل پرهزینه و وقت گیر بودن و پوشش زمانی بسیار محدود، برای تولید دادههای آلبیدو در مقیاس جهانی مناسب نیستند. فناوری سنجش از دور به دلیل پوشش مکانی وسیع، قدرت تفکیکهای زمانی مناسب و استخراج مجموعه دادههای پایدار از پارامترهای سطح زمین، تنها روش عملی برای تولید دادههای آلبیدو در مقیاس جهانی و با قدرت تفکیک زمانی قابل قبول است (Lucht et al., 2000). برای استخراج آلبیدوی پهن باند سطح از تصاویر ماهوارهای چندطیفی، یک سری مراحل پردازشی شامل: تصحیح جوی، مدلسازی تابع توزیع بازتابندگی دوراستایی (BRDF[2]) جهت تصحیح زاویه دید و تابش و انتگرالگیری زاویهای تابع BRDF برای تبدیل بازتابندگیهای سطح به آلبیدوهای طیفی (باریک باند)[3] و نهایتاً تبدیل آلبیدوهای باریک باند به پهن باند باید انجام شود. BRDF تابع توزیع بازتابندگی دو راستایی است و تعیین کننده میزان بازتابندگی سطحی خاص در راستایی معین میباشد. دقت محصولات نهایی آلبیدو، به دقت همه مراحل پردازشی ذکر شده بستگی دارد (Liang, 2003). ارزیابی محصولات آلبیدوی ماهوارهای به دلیل کاربرد در مطالعات گوناگون اهمیت فراوانی دارد. از طرفی ارزیابی دادههای حاصل از سنجندههای با قدرت تفکیک مکانی متوسط و پایین مانند MODIS، همیشه مسائل و دشواریهای خاص خود را داشته است. مشاهدات ماهوارهای، نواحی بزرگتری را نسبت به اندازهگیریهای میدانی میپوشانند. یک مسئله اساسی آنست که آیا یک اندازهگیری متوسط برای پیکسلهای ماهوارهای، میتواند نماینده مقادیر نقطهای باشد؟ وقتی سطح زمین غیر همگن[4] باشد، برای ارزیابی آلبیدوی متوسط بدست آمده از تصاویر ماهوارهای بر روی ناحیه تحت پوشش پیکسل ماهواره، به تعداد زیادی نمونه نیاز است که این حالت مشکلات مخصوص به خود را دارد. بعنوان یک راهکار برای این مهم میتوان از نواحی نسبتاً همگن برای ارزیابی استفاده نمود. در این حالت اندازهگیریهای نقطهای تا حد زیادی با آلبیدوی متوسط در مقیاس ماهواره منطبق خواهند بود. هر چند مشکلات ارزیابی برای پیکسلهای بزرگ همانند محصولات آلبیدوی MODIS، حتی برای مناطق همگن نیز میتواند وجود داشته باشد. هدف این پژوهش ارزیابی این محصولات برای مناطق همگن با استفاده از تصاویر همزمان سنجنده ASTER با قدرت تفکیک مکانی 15 متر میباشد. مطمئناً برای مناطق غیر همگن و با پوششهای متفاوت و متغیر در طول سال، این مسئله از اهمیت و پیچیدگی بیشتری برخوردار خواهد بود و نیاز به توجه بیشتری دارد. سنجنده MODIS به دلیل داشتن قدرت تفکیک زمانی بالا (1 الی 2 روز) و داشتن باندهای کافی در ناحیه مرئی، مادون قرمز نزدیک و مادون قرمز میانی استفاده گستردهای در اندازهگیری آلبیدوی سطح زمین در مقیاس جهانی و به طور پیوسته، دارد. به طوری که بسیاری از پژوهشگران زیست محیطی، از دادههای آلبیدوی MODIS برای ورود به مدلهای اقلیمی خود استفاده میکنند. خطا در مقادیر آلبیدوی مستخرج از این سنجنده میتواند نتایج خروجی مدلهای ایشان را تحت تاثیر قرار دهد (Jin et al., 2003).
لیانگ (Liang, 2000) از روش جدیدی (در مقایسه با تحقیقات پیشین) بر مبنای شبیهسازیهای انتقال تابشی برای به دست آوردن روابط تبدیل آلبیدوهای باریکباند به پهن باند موج کوتاه، مرئی و مادون قرمز نزدیک، در سنجندههای مختلفی چون MODIS،AVHRR ، ASTER و TM استفاده کرد. نتایج ارزیابی این روابط توسط Liang در سال 2002 نشان داد که در بسیاری از سنجندهها، دقت مطلق سه آلبیدوی پهن حاصل از این روابط، درحدود 02/0 است که در تطابق با دقت موردنیاز برای بسیاری اهداف مدلسازی سطح میباشد. لیانگ و همکاران(Liang et al. 2002) جهت ارزیابی دقت محصولات آلبیدو و بازتابندگی سنجندهی MODIS، مطالعهای را در منطقه بلستویل[5] آمریکا، انجام دادند. به دلیل غیر همگن بودن سطوح مورد مطالعه، اندازهگیریهای نقطهای زمینی برای مقایسه مستقیم با پیکسلهای یک کیلومتری MODIS مناسب نبودند. در نتیجه از اندازهگیریهای میدانی برای کالیبراسیون محصولات آلبیدو و بازتابندگی حاصل از تصاویر ETM با مکانی 30 متر استفاده شد. نتایج ارزیابی دقت محصولات MODIS با استفاده از محصولات آلبیدو و بازتابندگی ETM نشان داد که خطای مطلق محصولات آلبیدو و بازتابندگی MODIS، کمتر از 05/0 میباشد. ونگ و همکاران (Wang et al., 2004)، با مطالعهای که روی آلبیدوی MODIS و آلبیدوی حاصل از اندازهگیریهای زمینی، در منطقه خشک و نیمه خشک Western platen انجام دادند، دریافتند که افزایش ناگهانی آلبیدو در زمستان، به علت وجود پوشش برف و کاهش ناگهانی آلبیدو در تابستان، به علت افزایش رطوبت خاک میباشد. از طرفی آلبیدوهای طیفی بدستآمده از MODIS، در طول 4 فصل، تغییرات بارزی نشان نمیداد که به معنای نبود پوشش گیاهی در منطقه و یا وجود پوشش گیاهی بسیار تنک و در نتیجه همگن بودن سطح مورد مطالعه بود. نتایج ارزیابی آلبیدوی MODISبا آلبیدوهای زمینی نیز نشان داد که دقت مطلق این محصولات حدود 02/0 و RMSE آنها 0186/0 میباشد. سوزاکی و همکاران (Susaki et al., 2007)، برای ارزیابی دقت محصولات آلبیدوی MODIS مطالعهای را بر روی مزارع شالیکاری در شهر Chiba در ژاپن انجام دادند. به دلیل اختلاف مقیاس داده نقطهای زمینی و آلبیدوی یک کیلومتری MODIS از تصاویر ASTER و ETM+ برای ارزیابی تاثیر مقیاسهای مکانی متفاوت، استفاده شد. برای تولید آلبیدوی ASTER و ETM+، از کد 6S برای تصحیح جوی، از روابط لیانگ (Liang, 2000) برای تولید آلبیدوهای پهن باند 15 و 30 متری و از تابع PSF[6] مادیس برای تبدیل این آلبیدوهای پهنباند به قدرت تفکیک مکانی یک کیلومتر استفاده شد تا با محصولات MODIS قابل مقایسه باشند. در عمل از آلبیدوهای یک کیلومتری ETM+ و ASTERبرای تعیین همگن بودن یا نبودن نواحی اطراف ایستگاههای اندازهگیری زمینی آلبیدو استفاده شد. به دلیل همگن بودن منطقه آلبیدوهای واقعی یک کیلومتری MODIS به طور مستقیم با آلبیدوهای نقطهای- زمینی مقایسه شدند. نتایج نشان داد محصولات آلبیدوی MODIS برای مزارع شالی کاری در ژاپن دارای دقت مطلق تقریباً 026/0 و دقت نسبی 1/15 درصد میباشد. ژانگ و لیانگ (Liang & Zhang, 2010) با مقایسه تغییرات زمانی- مکانی آلبیدوی پهن باند موج کوتاه MODIS از سال 2000 تا سال 2008 با پایگاه داده آلبیدوی 21 مدل جهانی آب و هوا مشاهده کردند که آلبیدوهای شبیهسازی شده اکثر مدلهای جهانی آب و هوا، کمتر از آلبیدوهای MODIS میباشد. نتایج آنها حاکی از آن بود که بیشینه مقدار آلبیدوی سطحی حاصل از MODIS در زمستان و به علت پوشش برف و کمترین مقدار آن در تابستان به علت وجود گیاهان میباشد. بررسیهای آنها نشان داد که اختلاف آلبیدوهای Black Sky وWhite Sky در تابستان بزرگتر از زمستان است و دلیل آن تابع درصد نور پراکنده میباشد. همچنین بزرگترین تغییرات فصلی آلبیدو در نیمکره شمالی، ما بین عرضهای 30 و 50 درجه شمالی به علت فنولوژی گیاهان، و در نیمکره جنوبی، مابین عرضهای 50 و 70 جنوبی به علت پوشش فصلی برف و یخ اتفاق میافتد.
در تحقیق حاضر، با توجه به پژوهشهای اشاره شده، ابتدا آلبیدوی پهنباند موجکوتاه کل MODIS (500 متر) با استفاده از تصاویر MCD43A3 و تابع درصد نور پراکنده تولید میشود. به علت همزمانی برداشت دادههای MODIS با دادههای با قدرت تفکیک مکانی بالای سنجنده ASTER که بر روی یک سکو قراردارند، میتوان از این دادهها جهت ارزیابی عملکرد الگوریتم بازیابی آلبیدوی سنجنده MODIS استفاده کرد. در نتیجه با توجه به مراحل ذکر شده در استخراج آلبیدو از سنجندههای چند طیفی و استفاده از روابط رگرسیونی لیانگ (Liang, 2000) آلبیدوی پهنباند موج کوتاه از تصاویر ASTER که همزمان با تصاویر MODIS انتخاب شدهاند، استخراج میشود. برای مقایسه آلبیدوهای موجکوتاه 500 متری MODIS با آلبیدوی موج کوتاه حاصل از تصاویر ASTER، ابتدا آلبیدوهای 500 متری ASTER تولید میشود. نهایتاً آلبیدوی واقعی موج کوتاه MODIS که با استفاده از محصولات MCD43A3 این سنجنده به دست آمده، با آلبیدوهای موج کوتاه بهدست آمده از ASTER مقایسه و ارزیابی میشود.
منطقه مورد مطالعه
منطقه مورد مطالعه در این تحقیق، منطقهای تقریباً مسطح و نیمه خشک بین طول جغرافیایی 51 00’ 48” تا 51 09’ 15” شرقی و عرض جغرافیایی 35 03’ 10” تا 35 09’ 52” شمالی در کیلومتر 40 اتوبان قم-تهران قرار دارد (شکل 1). این منطقه با مساحت تقریبی 25 کیلومتر مربع دارای شیب متوسط 2 درصد به سمت جنوب شرق بوده و شامل آبراهههایی است که البته در بازه زمانی مورد مطالعه خشک بودند. پوشش گیاهی منطقه بسیار تنک بوده و توپوگرافی منطقه به گونهای است که میتوان آن را یک سطح تقریباً هموار فرض نمود. با ویژگیهای گفته شده، منطقه مورد مطالعه نسبتاً همگن بوده و چون تاثیر عواملی چون سایه و تنوع پوششهای سطح حداقل میباشد میتواند برای کار ارزیابی منطقه مناسب باشد.
شکل 1- موقعیت منطقه مورد مطالعه
دادههای مورد استفاده
دادههای مورد استفاده در تحقیق به شرح زیر است:
1- تصاویر سنجنده ASTER، اخذ شده در تاریخهای 28 جولای 2001، 13 سپتامبر 2003، 1 اکتبر 2004 و 24 اکتبر 2004، با سطر و مسیر 36/164 و بدون ابر. معیار انتخاب این تاریخها، موجود بودن تصاویر، داشتن حداکثر پوشش از منطقه مطالعاتی، دارا بودن شرایط تقریباً مشابه آب و هوایی و عدم وجود پوشش ابر میباشد.
2- محصولات آلبیدوی MCD43A3 (قدرت تفکیک مکانی 500 متر) سنجنده MODIS از ایران، مربوط به تاریخهای 28 جولای 2001، 14 سپتامبر 2003، 29 سپتامبر 2004 و 23 اکتبر 2004.
3- دادههای بازتابندگی MODIS (MOD09A1) مربوط به تاریخهای ذکر شده برای تصاویر آلبیدو.
4- دادههای عمق اپتیکی MODIS (MOD04_L2) همزمان با تصاویر آلبیدوی MODIS.
5- نقشه 1:25000 منطقه.
6- دادههای آماری همدیدی و هواشناسی (بارندگی، پدیداری، سرعت و جهت باد) در ایستگاههای ساوه، فرودگاه امام و قم.
آمادهسازی دادهها
تولید آلبیدو از تصاویر ASTER
به منظور اعمال تصحیحات رادیومتریکی بر روی تصاویر L1B ASTER، ابتدا مقادیر درجات خاکستری با استفاده از رابطه زیر به تابش دریافت شده در سنجنده تبدیل شدند (Wubet, 2003):
(1)
که در آن Lλ رادیانس محاسبه شده بر حسب (Wm-2sr-1μm-1)، و UCC ضریب تبدیل واحد است.
ضرایب تبدیل واحد استفاده شده، برای باندها و وضعیت Gainهای مختلف در جدول 1 برای سنجنده ASTER نشان داده شده است.
در ادامه به منظور کاهش اثرات جو، از مدل تصحیح جوی FLASH در نرمافزار ENVI که یک مدل تصحیح جوی مطلق است، استفاده شد. پارامترهای ورودی برای مدل تصحیح جوی FLASH، در جدول 2 نشان داده شده است.
جدول 1- ضرایب تبدیل واحد جهت کالیبراسیون اعداد رقومی، DN (منبع: ASTER User Handbook)
شماره باند |
Coefficient (W/(m² sr µm)/DN) |
|||
High Gain |
Normal Gain |
Low Gain 1 |
Low Gain 2 |
|
1 |
676/0 |
688/1 |
25/2 |
N/A |
2 |
708/0 |
415/1 |
89/1 |
|
3N |
423/0 |
862/0 |
15/1 |
|
3B |
423/0 |
862/0 |
15/1 |
|
4 |
1087/0 |
2174/0 |
290/0 |
290/0 |
5 |
0348/0 |
0696/0 |
0925/0 |
409/0 |
6 |
0313/0 |
0625/0 |
0830/0 |
390/0 |
7 |
0299/0 |
0597/0 |
0795/0 |
332/0 |
8 |
0209/0 |
0417/0 |
0556/0 |
245/0 |
9 |
0159/0 |
0318/0 |
0424/0 |
265/0 |
10 |
N/A |
006822/0 |
N/A |
N/A |
11 |
006780/0 |
|||
12 |
006590/0 |
|||
13 |
005693/0 |
|||
14 |
005225/0 |
برای بررسی وضعیت پوشش گیاهی منطقه، تصاویر NDVI با استفاده از دادههای بازتابندگی خروجی از الگوریتم FLASH تولید شد. تصاویر NDVI نشان داد که سطح مورد مطالعه، حداقل در بازه زمانی مطالعاتی، فاقد پوشش گیاهی است که نقشههای پوششی 1:25000 نیز موید این مطلب بودند. پس از تولید بازتابندگیهای سطحی، آلبیدوی پهنباند موجکوتاه ASTER، با استفاده از رابطه رگرسیون زیر، که بر مبنای فرض سطح لامبرتی میباشد، محاسبه شد (Liang, 2000).
(2) |
و به ترتیب معرف آلبیدوی موجکوتاه و آلبیدوی باریک باند در باند n هستند. یعنی بازتابندگی در باند n برای هر پیکسل ASTER، برابر با آلبیدوی طیفی در آن باند در نظر گرفته میشود (Liang, 2000). نهایتاًتمامی تصاویر آلبیدو و NDVI سنجنده ASTER، با استفاده از نقشههای پوششی 1:25000 منطقه مورد مطالعه، در سیستم مختصات WGS84 و سیستم تصویر UTM زون 39 شمالی، و با خطای هندسی 12/0 پیکسل (RMSE=0/12) تصحیح هندسی شدند.
جدول 2- پارامترهای ورودی مدل تصحیح جوی FLASH
پارامترهای FLAASH |
مقدار ورودی |
نام سنجنده |
ASTER |
ابعاد پیکسل |
15m |
ارتفاع سطح |
900m |
تاریخ |
2001/07/28 |
زمان برداشت |
7:28:09 |
مدل هواویز |
روستایی |
مدل جوی |
Mid-Latitude Summer |
Output reflectance scale factor |
10 |
Initial visibility |
15 |
الگوریتم بازیابی آلبیدو در سنجنده MODIS
MCD43A از محصولات آلبیدوی MODIS با قدرت تفکیک 500 متر است که از مشاهدات سنجنده MODIS بر روی هر دو ماهوارهی Terra و Aqua تولید میشود. MCD43A شامل: محصول آلبیدوی جهانی (MCD43A3)، پارامترهای مدل BRDF و اطلاعات کنترل کیفیت این پارامترها (MCD43A3) و محصولات 1NBAR (MCD43B4) میباشد که در سیستم مختصات Sinusoidal ارائه میشوند. در این تحقیق از محصولات MCD43A3 که شامل آلبیدوهای طیفی و پهنباند مستقل از شرایط جو میباشد برای تولید آلبیدوی واقعی موج کوتاه استفاده میشود. در ادامه مختصری به چگونگی تولید این محصولات در سنجنده MODIS پرداخته میشود. مراحل پردازشی در استخراج آلبیدوهای پهنباند سطح از تصاویر ماهوارهای چند طیفی در شکل 2 نشان داده شده است.
الگوریتم بازیابی آلبیدو در سنجنده MODIS، از مشاهدات چند زاویهای و چند طیفی حاصل از سنجندههای MODIS و MISR و مدل BRDF نیمه تجربی کرنل مبنای RossThick-LiSparse برای تولید محصولات[7]1 آلبیدو با دوره زمانی 16 روزه و با قدرت تفکیکهای مکانی مختلف استفاده میکند (Wanner et al., 1997). در مرحله تصحیح جوی، از اطلاعات هواویزی و بخار آب MODIS، برای استخراج بازتابندگیهای سطحی از رادیانس بالای جو استفاده میشود. سپس بازتابندگیهای سطحی عاری از ابر و تصحیح جوی شده، برای استخراج پارامترهای مدل BRDF به کار میروند. آنچه در کاربردهای مدلسازی مورد نیاز است، یک بازتابندگی نیمکرهای میانگین با توجه به ویژگیهای ذاتی سطح است که وابسته به زمان و شرایط جو نباشد. به منظور برآوردن این نیاز، الگوریتم BRDF/Albedo سنجنده MODIS، 2 مورد اندازهگیری برای آلبیدو که جزو ویژگیهای ذاتی سطح بوده و وابسته به شرایط جو در زمان مشاهدات نیستند را از طریق انتگرالگیری زاویهای مدل BRDF تولید میکند. این 2 اندازهگیری به نامهای آلبیدوی طیفی نیمکرهای جهتی یا آلبیدوی Black Sky (BSA)، و آلبیدوی طیفی نیمکرهای یا آلبیدوی White Sky (WSA) معروفند. آلبیدوهای BSA و WSA در هفت باند زمینی MODIS (7 باند اول) و 3 پهن باند مرئی، مادونقرمز نزدیک و موجکوتاه تولید میشوند. آلبیدوی واقعی طبق رابطه زیر از ترکیب خطی آلبیدوهای BSA و WSA بدست میآید (Geiger et al., 2008):
Actual albedo = (1-S(θ, (λ)τ))BSA + (3)
S(θ, (λ)τ)WSA
که در آن S تابع درصد نور پراکنده، θ زاویه زنیت خورشید و (λ)τ عمق اپتیکی هواویزی در طول موج 550 نانومتر است. برای محاسبه درصد نور پراکنده، برنامهای به نام TELL_SKYL.C (http://geograghy.bu.edu/brdf/) توسط تیم MODIS نوشته شده که به صورت رایگان در اختیار استفادهکنندگان قرار میگیرد. ورودی این برنامه زوایای زنیت خورشید در ظهر خورشیدی محلی و دادههای عمق اپتیکی هواویزی است. در این تحقیق برای استخراج زوایای زنیت خورشید از تصاویر MOD09A1 و برای استخراج دادهها عمق اپتیکی از محصول MOD04_L2 استفاده شده است. MOD04_L2 از محصولات هواویزی MODIS میباشد که حاوی داده روزانه عمق اپتیکی در طول موج 550 نانومتر و با قدرت تفکیک مکانی 10 کیلومتر است.
|
شکل 2- مراحل پردازشی در استخراج آلبیدوی پهنباند از تصاویر ماهوارهای چندطیفی (Liang, 2003). |
محاسبه آلبیدوی واقعی موجکوتاه MODIS
با توجه به اهداف تحقیق، جهت امکان مقایسه آلبیدوی موجکوتاه ASTER و MODIS، لازم است آلبیدوی واقعی موجکوتاه MODIS در سیستم مختصات ASTER محاسبه شود. در نتیجه تصاویر زاویه زنیت خورشید و تصاویر آلبیدوی BSA و WSA که برای محاسبه آلبیدوی واقعی MODIS موردنیازند و سیستم مختصات آنها Sinusoidal است، با توجه به تصاویر ASTER منطقه بریده شدند. سپس تصاویر بریده شده MODIS با دقت 2/0 پیکسل نسبت به تصاویر ASTER توجیه شدند. برای محاسبه آلبیدوی واقعی MODIS از آلبیدوهای WSA و BSA، نیاز به محاسبه تابع درصد نور پراکنده میباشد. برنامه TELL_SKYL.C که به این منظور در سایت MODIS قرار داده شده دانلود و برای سهولت کار به زبان مطلب بازنویسی شد. ورودی این برنامه، مقادیر عمق اپتیکی و زاویه زنیت خورشید برای موقعیتهای مورد مطالعه است. مقادیر عمق اپتیکی حاصل از دادههای MOD04_L2 و دادههای زاویه زنیت خورشید مستخرج از تصاویر بازتابندگی MODIS، وارد برنامه محاسبه درصد نور پراکنده شدند و تابع درصد نور پراکنده برای پیکسلهای مورد مطالعه MODIS در پهنباند موجکوتاه حساب شد. پس از آن، مقادیر آلبیدوی WSA و BSA به همراه مقادیر درصد نور پراکنده، وارد برنامه محاسبه آلبیدوی واقعی شده و آلبیدوی واقعی موجکوتاه برای تک تک پیکسلهای MODIS محاسبه شد. برای ارزیابی آلبیدوی واقعی موجکوتاه 500 متری MODIS، میباید آلبیدوهای 500 متری از آلبیدوهای 15 متری ASTER تولید میشد. در نتیجه ابتدا برای هر پیکسل MODIS، مجموعه پیکسلهای متناظر از تصویر ASTER جستجو و سپس میانگین آلبیدوی آن مجموعه پیکسل از تصویر ASTER، به عنوان آلبیدوی متناظر حاصل از تصاویر ASTER ثبت شد. با توجه به آنکه ابعاد پیکسلهای MODIS، تقریباً 500 متر (463 متر) و ابعاد پیکسلهای ASTER 15 متر میباشد، هر پیکسل MODIS در بر گیرنده تقریبا 960 پیکسل ASTER میباشد.
تجزیه و تحلیل نتایج
آلبیدوی پهنباند سطح، پارامتر بسیار مهمی در مطالعات زیستمحیطی، هواشناسی و مطالعات انتقال تابشی محسوب میشود. تعیین هر چه دقیقتر آلبیدو باعث دقیقتر شدن مدلسازیهای محیطی و آب و هوایی و افزایش قابلیت اطمینان پیشبینیهای جوی-اقلیمی میشود (Wang & Davidson, 2007). مطالعاتی در زمینه ارزیابی دقت آلبیدو در تعدادی از انواع پوششهای سطح زمین صورت گرفته است(Susaki, 2007; Wang et al., 2004; Strove et al., 2005). با توجه به آنکه مطالعات صورت گرفته در زمینه آلبیدو و ارزیابی دادههای ماهوارهای در آسیا و به خصوص در ایران بسیار اندک بوده، در این تحقیق به ارزیابی آلبیدوی موجکوتاه حاصل از دادههای آلبیدوی جهانی MODIS با استفاده از آلبیدوی موجکوتاه حاصل از تصاویر با قدرت تفکیک مکانی بالای سنجنده ASTER پرداخته شد. در این قسمت نتایج ارزیابی آلبیدوی موجکوتاه MODIS به وسیله سنجنده ASTER ارائه شده است.در شکل 3 میانگین آلبیدوی 80 پیکسل MODIS که از تصاویر آلبیدوی MODIS و ASTER همزمان حاصل شدهاند در تاریخهای مختلف نشان داده شده است. ملاحظه میشود که آلبیدوی ASTER تغییرات شدیدتری نسبت به آلبیدوی MODIS دارد. آلبیدوی ASTER برای تاریخ همان روز محاسبه میشود ولی معمولاً آلبیدوی MODIS در یک پریود زمانی 16 روزه محاسبه شده و در سایت در دسترس عموم قرار میگیرد (Wanner et al., 1997). بنابراین آلبیدوی موجکوتاه ASTER نسبت به تغییرات روزانهی شرایط جو و سطح حساستر از آلبیدوی MODIS میباشد، ولی در آلبیدوی MODIS تاثیر این تغییرات با متوسط گیری در پریود زمانی 16 روزه تعدیل میگردد. در نتیجه پژوهشگران باید با توجه به زمینه مطالعاتی خود و میزان تاثیر و اهمیت زمان در پدیده مورد پژوهش، برحسب نیاز از آلبیدوهای سطحی روزانه یا دورهای با پریودهای زمانی معین و موثر استفاده نمایند. علاوه بر عامل متوسطگیری آلبیدوی MODIS در یک پریود زمانی 16 روزه، پایین بودن قدرت تفکیک مکانی این سنجنده و احتمال جای گرفتن پوششهای مختلف در پیکسلها نیز میتواند سبب بروز خطا در محصولات آلبیدوی MODIS گردد که با توجه به موضوع و منطقه مورد پژوهش، این نکته نیز باید مد نظر قرار گیرد.
شکل 3- سری زمانی میانگین آلبیدوهای حاصل از ASTER و MODIS برای 80 پیکسل انتخابی
شکل 4- نمودارهای بارندگی در اکتبر و نوامبر 2004
همچنین مشاهده میشود که به غیر از تاریخ 23 اکتبر 2004 در بقیه موارد آلبیدوهای موجکوتاه MODIS مقادیر کمتری نسبت به آلبیدوهای موجکوتاه ASTER دارند. با توجه به دادههای بارندگی (شکل 4) در تاریخ 22 اکتبر 2004 یعنی دو روز قبل از اخذ تصویر ASTER و همچنین در طول پریود زمانی MODIS (یعنی از تاریخ 23 اکتبر تا 7 نوامبر) بارندگی اتفاق افتاده که باعث افزایش رطوبت خاک شده است. افزایش رطوبت خاک منجر به کاهش بازتابندگی در طولموجهای مرئی و مادون قرمز نزدیک میشود (Wang et al., 2004). درنتیجه مقدار آلبیدوی حاصل از هر دو سنجنده کاهش یافته، اما چون آلبیدوی ASTER به تغییرات شرایط جو و سطح حساستر است مقدار کاهش آلبیدوی این تصاویر بیشتر از تصاویر MODIS میباشد به حدی که در نتیجه آن آلبیدوی موج کوتاه ASTER مقادیر کمتری را نسبت به آلبیدوی MODIS اتخاذ کرده است. بنابراین میتوان کاهش آلبیدوی ASTER نسبت به آلبیدوی MODIS را به عامل بارندگی و افزایش رطوبت خاک نسبت داد. در 3 تاریخ دیگر، نه در روز اخذ تصویر ASTER و نه در طول پریود MODIS بارندگی اتفاق نیفتاده بود، به همین دلیل از آوردن نمودارهای بارندگی مربوط به آنها خودداری شده است.
در شکل 5 آلبیدوی واقعی موجکوتاه MODIS و مقدار متناظر حاصل از تصویر ASTER برای 80 پیکسل MODIS و در شکل 6 میزان همبستگی این دو نشان داده شده است. با توجه به شکل 5 میتوان گفت آلبیدوهای حاصل از سنجندههای ASTER و MODIS در منطقهی همگن مورد مطالعه که منطقهای پوشیده از خاک لخت خشک و فاقد پوشش گیاهی است، رفتار مشابهی دارند و تغییرات یکدیگر را دنبال میکنند. به طوری که همبستگی تغییرات دو مقدار آلبیدوی محاسبه شده برای هر پیکسل MODIS به خوبی در شکلها نمایان است. شکل 6 هم بیانگر همبستگی بالای مقادیر آلبیدوی موجکوتاه ASTER و آلبیدوی واقعی موجکوتاه MODIS میباشد. میتوان گفت با در نظر گرفتن روند افزایش یا کاهش آلبیدوی حاصل از هر کدام از این دو سنجنده میتوان تغییرات آلبیدوی سنجندهی دیگر را در پیکسلهای مورد مطالعه پیشبینی نمود. ملاحظه میشود در تاریخهای 14 سپتامبر 2003 و 23 اکتبر 2004 همبستگی آلبیدوی ASTER و MODIS کمتر و در تاریخهای 28 جولای 2001 و 29 سپتامبر 2004 این همبستگی بیشتر است. بنابراین با توجه به نتایج ارائه شده میتوان گفت در صورت پایدار بودن شرایط محیطی در زمان اخذ تصویر توسط دو سنجنده MODIS و ASTER، مقادیر آلبیدوی موجکوتاه مستخرج از آن دو همبستگی بالایی را با یکدیگر نشان میدهند.
شکل 5- آلبیدوی محاسبه شده از تصاویر ASTER و MODIS برای 80 پیکسل انتخابی
شکل 6- نمودار پراکندگی آلبیدوی موج کوتاه ASTER نسبت به آلبیدوی موج کوتاه MODIS برای پیکسلهای انتخابی
جدول 3- نتایج مقایسه آلبیدوهای موج کوتاه ASTER و MODIS.
تاریخ برداشت تصویر |
آلبیدوی MODIS (میانگین 80 پیکسل انتخابی) |
آلبیدوی ASTER |
اختلافات نسبی (Relative differences) |
RMSD اختلافات نسبی (%) |
|||
MODIS ASTER |
|||||||
ماکزیمم |
مینیمم |
||||||
28/07/2001 28/07/2001 |
165/0 |
172/0 |
06/0 |
01/0 |
4 |
88/0 |
|
14/09/2003 13/09/2003 |
184/0 |
203/0 |
11/0 |
05/0 |
9 |
79/0 |
|
29/09/2004 01/10/2004 |
185/0 |
188/0 |
05/0 |
01/0 |
3 |
935/0 |
|
23/10/2004 24/10/2004 |
167/0 |
179/0 |
02/0- |
11/0- |
8 |
71/0 |
RMSD=
n = number of pixels
با توجه به جدول 3، RMSD اختلافات آلبیدوهای موجکوتاه ASTER و MODIS نیز در دو تاریخ 14 سپتامبر 2003 و 23 اکتبر 2004 بیشتر است. دلیل RMSD بالاتر و همبستگی کمتر در تاریخ 23 اکتبر 2004 را میتوان به عامل بارندگی نسبت داد. برای پریود مربوط به تاریخ 14 سپتامبر 2003 پارامترهای پدیداری، سرعت و جهت باد از دادههای ایستگاههای هواشناسی استخراج شد. با توجه به پایین بودن مقدار پدیداری که مبین وجود جو پر از غبار میباشد (Baumer et al., 2007)، و بالا بودن سرعت باد در تاریخ اخذ تصویر ASTER (13 سپتامبر) نسبت به پریود زمانی 16 روزه MODIS و وزش باد از سمت جنوب میتوان نتیجه گیری نمود که وزش بادهایی از سمت دریاچه نمک (از سمت جنوب منطقه مطالعاتی)، که حاوی ذرات نمک میباشند عامل عمده افزایش ناگهانی آلبیدوی ASTER نسبت به MODIS و افزایش RMSD اختلافات آنهاست. از طرف دیگر در تاریخهای 28 جولای 2001 و 29 سپتامبر 2004 شرایط جوی در روز اخذ تصویر ASTER و در بازه زمانی 16 روزه MODIS شباهت زیادی داشتند که در نتیجه آن اختلاف آلبیدوهای موجکوتاه ASTER و MODIS نیز کمتر دیده میشود. بنابراین با توجه به دادههای هواشناسی مشاهده میشود که در شرایط ایدهآل چنانچه شرایط جوی در پریود زمانی 16 روزه MODIS حاکی از عدم تغییر عمده جوی و یا عدم ورود جبهه هوای جدیدی به منطقه بوده و با شرایط جوی در زمان اخذ تصویر ASTER مشابه باشد، RMSD اختلافات مقادیر آلبیدوی موجکوتاه MODIS نسبت به ASTER در حدود 4 درصد میباشد. در غیر اینصورت با عنایت به میزان و شدت تغییرات جوی در مدت 16 روز در مقایسه با روز گذر، انحراف آلبیدوی مستخرج از MODIS در مقایسه با ASTER بسیار متغیر خواهد بود.
نتیجهگیری
در این تحقیق آلبیدوی واقعی موجکوتاه 500 متری MODIS که با استفاده از محصولات MCD43A3 و تابع درصد نور پراکنده محاسبه شد، با آلبیدوی موجکوتاه محاسبه شده از تصاویر ASTER همزمان خود مورد ارزیابی قرار گرفت. با توجه به نبود پوشش گیاهی در منطقه، ثابت ماندن پوشش-کاربری منطقه، عدم وجود آلایندههای صنعتی در هوا، کم بودن تعداد روزهای بارندگی در بازه مورد مطالعه و عدم وجود توپوگرافی قابل ملاحظه منطقه مورد نظر برای ارزیابی محصولات آلبیدوی MODIS مناسب دیده شد. برای مقایسه آلبیدوهای بدست آمده از ASTER و MODIS ابتدا آلبیدوهای 15 متری ASTER براساس موقعیت پیکسلهای MODIS به قدرت تفکیک 500 متری میانگینگیری شدند. نتایج بررسیها در سالهای 2001، 2003 و 2004 نشان داد چنانچه شرایط جوی در طول پریود MODIS و در روز اخذ تصویر ASTER یکنواخت و مشابه باشد بیشترین اختلافات نسبی آلبیدوی موجکوتاه MODIS نسبت به ASTER، با توجه به جدول 3، تقریباً 6 درصد و RMSD این اختلافات نسبی در حدود 4 درصد میباشد. در مواردی که شرایط جوی روزانه و پریود زمانی 16 روزه تفاوت زیادی داشته باشد میزان اختلافات نسبی آلبیدوی ASTER و MODIS و RMSD این اختلافات نسبی به ترتیب تا حدود 11 درصد و 9 درصد افزایش مییابد. از آنجایی که محصولات آلبیدوی جهانی MODISدر مدلهای هواشناسی و اقلیمی کاربرد فراوان دارد خطا در این محصولات میتواند نتایج خروجی مدلهای مذکور را تحت تاثیر قرار دهد. بنابراین توصیه میشود استفادهکنندگان با توجه به نوع نیاز مطالعاتی و پژوهشی خود، دقت این محصولات را در نظر بگیرند. به منظور بررسی و تحقیق بیشتر پیشنهاد میشود مطالعات در فصول و در شرایط مختلف سال و نیز برای سطوح ناهمگن نیز انجام شود تا خطای ناشی از استفاده از دادههای آلبیدوی MODIS که بصورت رایگان در دسترس عموم قرار میگیرد، برای استفاده کنندگان بخوبی تبیین گردد. عدم استفاده صحیح از این دادهها میتواند مشکلات عدیدهای را در پژوهشهای محیطی بوجود آورد.
10. Liang, S., Strahler, A. H., Walthall, C. W., 1999, Retrieval of land surface albedo from satellite observation: A simulation study, J. Appl. Meteorol., 38, 712-725.
11. Liang, S., Shuey, C. J., Russ, A.L., Fang, H., 2002, Narrowband to broadband conversions of land surface albedo: II. Validation. Remote Sensing of Environment 84, Pages 25-41.
12. Lucht, W., Hyman, A. H., Strahler, A. H., Barnsley, M. J., Hobson, P., Muller, J.P., 2000, A comparison of satellite-derived spectral albedos to ground based broadband albedo measurements modeled to satellite spatial scale for a semidesert landscape, Remote sens. Environ., 74, 85-98.
13. Lucht, W., C. Schaaf, B., 2000, An Algorithm for the Retrieval of Albedo from space using semiempirical BRDF models. IEEE Transaction on Geosciense and Remote sensing, Vol. 38, No. 2.
14. Maurer, J., 2002, Retrieval of surface albedo from space. Part of a graduate course ("Remote Sensing Field Methods"), NASA/GSFC/LaRC/JPL.
15. Sellers, P. j., 1993, Remote sensing of land surface climatology change, NASA/GSFC international Satellite Land Surface Climatology Project report, NASA Goddard Space Flight Cent., Greenbelt, Md.
16. Stroeve, J., Box, E., Gao, F., Liang, S., Nolin, A., Schaaf, C., 2005, Accuracy assessment of the MODIS 16-day albedo product for snow: Comparisonswith Greenland in situ measurements, Remote Sens. Environ., vol. 94, no. 1, pp. 46–60.
17. Susaki, J., 2007, Validation of MODIS albedo products of paddy fields in Japan. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 45, NO. 1.
18. Tian, Y., 2002, Multiscale analysis and validation of the Modis LAI product over maun, Botswana, I, uncertainty assessment, Remote Sens. Environ., 83, 414-430.
19. Wang, K., Liu, J., Zhou, X., Sparrow, M., Ma, M., 2004, Validation of the MODIS global land surface albedo product using ground measurements in a semidesert region on the Tibetan Plateau. Journal of Geophysical research, Vol. 109, D05107.
20. Wang, S., Davidson, A., 2007, Impact of climate variations on surface albedo of a temperate grassland. Agricultural and Forest Meteorology, 142, 133-142.
21. Wanner, W., Strahler, A. H., Hu, B., Lewis, P., 1997, Global retrieval of bidirectional reflectance and albedo over land from MODIS and MISR data: Theory and algorithm. Journal of Geophysical Research, Vol. 102, No. D14, 17,143- 17,161.
22. Wubet, M. T., 2003, Estimation of Absolute Surface Temprature by Satellite Remote Sensing, M. Sc. Thesis. ITC, Netherlands.
23. Zhang, X., Liang, S., 2010, Analysis of Global Land Surface Shortwave Broadband Albedo from Multiple Data Sources. IEEE Transactions on Earth observation and Remote Sens.
24. Evaluation of MODIS 16-Days-Albedo Products Using ASTER Albedo Products for Homogeneous Semi-Arid Surfaces.